（申请工学硕士学位论文）
纯 电 动
纯电动汽车电控系统研制
汽 车 的 电 控 系 统 研 制 孙 淼 武 汉 理 工 大 学
培 养 单 位 ：信息工程学院 学 科 专 业 ：电路与系统 研 究 生： 指 导 教 师 ： 副教授
2012 年 05 月
分类号
UDC
密
级 10497
学校代码
学
题 英 题 目
位
论
文
纯电动汽车电控系统
文 The Research of the Electronic Control System for 目 Pure Electric Vehicle
研究生姓名 指导教师 姓名 单位名称 姓名 副指导教师 单位名称 硕 士 学科专业名称 论文答辩日期 学位授予日期 评阅人 职称 副教授 学位 博 士 邮编 学位 邮编 电路与系统 2012 年 05 月 430070
信息工程学院 职称
申请学位级别 论文提交日期
2012 年 04 月
学位授予单位 武汉理工大学 答辩委员会主席
2012 年 5 月
独 创 性 声 明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期：
学位论文使用授权书
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研究生（签名） ：
导师（签名） ：
日期：
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摘 要
在当今石油能源危机及汽车尾气污染的严峻现实下，电动汽车的发展成为 了一个热门，虽然对传统汽车的替代能源有可有多种，但其中纯电动汽车的发 展是里面重要的一项。 本从基于柳州五菱的纯电动汽车并从纯电动汽车的电控系统出发，把电控 系统的构成分为电池管理系统、电机控制系统和整车控制系统，设计并实现了 基于单片机的整车控制器系统。本文的主要研究内容和成果如下： （1）首先从纯电动汽车的电池管理系统的动力电池出发，分析了电池管理 系统的构成及基本要求，并根据现有的电池管理系统和纯电动汽车对动力电池 的要求对动力电池进行了选型。 （2）然后从纯电动汽车的电机驱动系统的电动机出发，对所采用的电动机 的工作原理进行了说明，并在现有的电动机调速方法中，选择了适合本项目电 动机的调速方法——变频器调速。 （3）再从系统主机的选定角度出发，设计了以 8 为系统主机的整车控制器 硬件电路并完成了程序的工作流程图和软件设计。 （4） 为了验证所设计的整车控制器的可用性与可靠性， 编写了用 LabvIEW 来调试的串口程序，接受整车控制器发来的数据，并在测试试验台就行了多次 测试。 关键词：电池管理系统，电机驱动系统，整车控制器，LabvIEW
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Abstract
The grim reality of today's oil and energy crisis and car exhaust pollution, the development of electric vehicles has become a popular. The conventional cars alternative energy can have a variety, but the development of pure electric vehicles which is a important select inside. The papers from Liuzhou WuLing’s pure electric vehicles.From the starting of electric control system, the composition of the electronic control system is divided into battery management systems, motor control systems and vehicle control follows: (1)First, from the power battery of the pure electric vehicle battery management system, analysis of the composition and the basic requirements of it,and in accordance with the requirements of the existing battery management system and pure electric vehicles to the requirements of the power battery to selection power battery. (2)And then from a pure electric vehicle’s motor of motor drive system starting, describe the used motor work method,and select the appropriate motor speed control method for this project motor——converter speed. (3) From the system host selected angle of departure, designed the hardware circuit of vehicle controller based on MC9S12XS128 and completed a program of work flow chart and software design. (4) To verify the availability and reliability of the vehicle controller, write the serial port program debugged by LabvIEW which accept the vehicle controller data, and try a number of tests on the platform. Keywords: battery management systems,motor control system,the vehicle controller,LabvIEW systems which design and realize based on MC9S12XS128 microcontroller vehicle controller.The main research contents and results are as
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目 录
摘 要............................................................................................................. I 绪 论 .............................................................................................1 Abstract .........................................................................................................II 第1章 1.1 本文的研究目的和意义 ............................................................................................1 1.1.1 研究目的 ..........................................................................................1 1.1.2 研究意义 ..........................................................................................1 1.2 纯电动汽车电控系统项目背景及其发展现状 ................................................2 1.3 本文主要工作和内容安排 .......................................................................................3 第2章 纯电动汽车的电池管理系统 ..........................................................5 2.1 动力电池的种类 ...........................................................................................................5 2.2 纯电动汽车对动力电池的基本要求 ....................................................................5 2.3 纯电动汽车电池管理系统的基本要求 ...............................................................6 2.3.1 电池的状态监测 ..............................................................................7 2.3.2 电池状态的分析 ..............................................................................7 2.3.3 电池的安全保护 ..............................................................................8 2.3.4 电池的能量控制管理.......................................................................8 2.3.5 电池的信息管理 ..............................................................................8 2.4 动力电池管理系统的拓扑结构..............................................................................9 2.4.1 BMC 与单元电池的关系 .................................................................9 2.4.2 BCU 与 BMC 的关系.....................................................................10 2.5 本章小结 .........................................................................................................................11 第 3 章 纯电动汽车的驱动系统 ..................................................................12 3.1 电动汽车常用的电动机 ..........................................................................................13 3.2 驱动系统对电动机性能的基本要求 .................................................................14 3.3 动力电机及其调速 .....................................................................................................15 3.3.1 动力电机的机构 ............................................................................15 3.3.2 动力电机的原理 ............................................................................17 3.3.3 动力电机的调速 ............................................................................21 3.4 电动机的控制系统 .....................................................................................................22 3.4.1 变频器的功能作用.........................................................................22
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3.4.2 变频器的组成 ................................................................................23 3.5 本章小结 ........................................................................................................................24 第4章 纯电动汽车的整车控制器 ............................................................26 4.1 系统主机的方案选定 ................................................................................................26 4.2 整车控制器的硬件设计 ..........................................................................................27 4.2.1 系统主机最小系统设计.................................................................27 4.2.2 系统主机外围功能模块电路设计 .................................................30 4.4 整车控制器的软件设计 ..........................................................................................38 4.4.1 软件工具 ........................................................................................38 4.4.2 软件总体流程图 ............................................................................39 4.5 本章小结 ........................................................................................................................42 第 5 章 系统现场调试与测试 ......................................................................43 第 6 章 总结 .................................................................................................46 致 附 谢...........................................................................................................47 录 参考文献 .......................................................................................................48
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第1章
1.1 本文的研究目的和意义
1.1.1 研究目的
绪
论
电控系统对于纯电动汽车来说，就像是人的大脑，它由不同的子系统组成， 综合各个子系统的功能来控制电动汽车。本项目是开发柳州五菱的纯电动汽车 的电控系统。该项目把电控系统主要分为电池管理系统、电机驱动系统、整车 控制器等三个部分来研究。
1.1.2 研究意义
人类需要发展就需要能源，但是能源是有限的，特别是石油能源，它是世 界能源消费的主导体。石油的第一次开采始源于 1846 年，到了 1950 年左右， 爆发了第一次石油危机，给世界经济造成了巨大的影响。而在 1973 年发生的石 油禁运，1979 年发生的伊朗停止输出石油，1990 年发生的海湾石油战争，严重 影响了世界经济的发展。 而汽车作为主要交通工具成为了石油的最大的消耗品。 据联合国统计，迄今为止，世界上有 8 亿多辆汽车，每年要消耗近 250 亿桶石 油，约占世界油耗的 74%。从 2006 年起，虽然我国取代了日本成为了仅次于美 国的第二大汽车消费市场，但从油耗的角度看，也将取代日本，成为世界第二 大石油消费国。而我国的石油储藏量有限，随着我国的汽车事业发展，汽车的 保有量增加，我国的油耗量也将迅速提升，这样更会给我国的能源和环境会产 生巨大的压力。特别是环境问题，汽车的环境污染包括汽车在生产过程中、使 用中和报废后的大气污染、水质污染、噪音污染、废弃物等，给人们的生产环 境带来了巨大的挑战[20]。 面对这样的现实，目前各国正在大力开发多种汽车替代能源。电动汽车 是其中的一个重要研究方向。电动汽车可以部分或者是全部的利用电能，前 者称为混合动力汽车，后者称为纯电动汽车，也叫做蓄电池电动汽车。本文 就是对后者的电控系统进行研究。虽然纯电动汽车还没有进入普及阶段，但 它的发展是一个必然的趋势，因为它的优点很多。首先，电能的获取可以有
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很多其它形式的能量转换来，比如水力发电，火力发电，风能发电，潮汐能 发电、太阳能电池板发电、原子能发电等。再者，由于纯电动汽车不需要内 燃机，所有不会产生汽车尾气，减少了汽车污染的来源，对保护环境和清洁 空气是十分有利的。再就是，纯电动汽车不会产出噪声污染，传统内燃机汽 车的发动机和复杂的机械传动装置会给环境产生严重的噪声污染。
1.2 纯电动汽车电控系统项目背景及其发展现状[24]
本项目的开发时来源于柳州五菱的纯电动汽车的一个项目。项目要求开 发纯电动汽车的电控系统部分。 对于该纯电动汽车来说， 其电控系统主要包 括电池管理系统、电机驱动系统、整车控制器等三个部分。所以由于纯电动 汽车的电控系统开发的庞大性与复杂性， 自己主要的工作内容是对整车控制 系统部分的开发。 电池管理系统是由能量管理 ECU、传感器及执行单元组成，通过软件对 传感器采集到的数据通过算法处理后， 发出指令控制执行单元， 从而实现优 化纯电动汽车的能量分配。所以，电池管理系统的作用是使能量在蓄电池、 电动机、功率变换模块等能量转换转置之间分配，提高蓄电池的效率。到现 在，很多学者已经对电池管理系统有很多的研究，但技术还是不成熟，大部 分学者主要关注通过对电池实时监测来控制电池的充放电， 避免电池因过充 过来而损害，而在传感器对数据采集的可靠性、精度等方面还不足。 电机驱动系统是由电动机驱动装置、传感器、电动机组成，通过传感器 采集电压、电流、温度、速度及扭矩等物理量，然后把这些数据传送到整车 控制器，整车控制器把参数经过算法处理后，然后传递给电动机驱动装置， 控制电动机的运转， 最终电动机通过机械传动装置， 驱动车轮的转动。 目前， 电机主要采用三相感应电机、开关磁阻电机及永磁同步电机。 对于电机的传 统控制方法， 最近几年出现了自适应控制、鲁棒控制及专家系统等许多先进 的控制方法。总体说来，电机控制的技术还是比较成熟的。 整车控制器是由汽车电子 ECU、ECU 外围电路模块组成，对于不同汽 车的生产产家来说，外围电路模块可能是不相同。不过基本包括电源模块、 模拟量输入输出模块、 开关量输入输出模块及通信模块等。主要功能是完成 对汽车的行驶控制、制动能量的回馈控制、整车的 CAN 网络化管理、车辆 状态的监控显示及车辆的故障诊断处理。目前，在国外，整车控制器已可以
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通过数字开关的方式来控制电动机的工作电流， 来调整整车的状态。 在国内， 天津一汽夏利股份有限公司、 柳州五菱汽车有限公司等已经研制出了相关车 辆的整车控制器。
1.3 本文主要工作和内容安排
本文根据柳州五菱的纯电动汽车项目需求，研究了纯电动汽车的电控系 统，主要包括三个子系统：电池管理系统、电机控制系统、整车控制器，它 们是纯电动汽车的重要电动部分，决定了整个电动车的结构和性能。 而一般 来说，一辆纯电动汽车的基本功能结构框图如图 1-1 中所示。 在图 1-1 中，蓄电池的充电是通过充电器外接电网电源来完成的，汽车 在行驶的过程中， 蓄电池通过放电给电动机驱动装置来驱动电动机。 来自加 速踏板的采样信号输入给整车控制器， 然后经过电机驱动装置来调节电动机 的扭矩或者转速， 这样电机的扭矩输出通过汽车的传动系统驱动汽车车轮转 动。 来自制动踏板的采样信号输入给整车控制器，此时电动机可以当做发电 机使用， 从而蓄电池的充电可以来自于汽车的部分动能， 最终可以增加汽车 的行驶里程 [22]。
车轮 电子驱动子系统 档位杆 制动踏板 加速踏板 MCU 功率变换器 三相感应电动机 固定速比变速 器和差速器
车轮 电池管理系统 蓄电池组 辅助动力源 动力转向系统 转向盘 蓄电池充电器 电源子系统 外接交流电源 空调 辅助子系统
控制信号
能量流动
机械连接
图 1-1 典型的纯电池汽车系统构成
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本文基于柳州五菱的纯电动汽车项目需求设计了基于柳州五菱纯电动汽 车的电控系统，并重点对整车控制器部分进行了硬件的设计和软件的调试。论 文的主要内容及安排如下： 第一章 对纯电动汽车电控系统的历史背景及现状进行了大致的回顾， 确定 了论文的目的和所要做的工作。 第二章 首先介绍了纯电动汽车对动力电池的要求，然后从该角度出发并结 合现有的动力电池，选出了本项目的动力电池类型。继而对纯电动汽车电池管 理系统的基本要求作了简单的分析，并在根据电池管理系统的要求下总结了电 池管理系统可用的拓扑结构。 第三章 首先介绍了纯电动汽车对电动机的要求， 然后从该角度出发并结合 现有的电动机种类，选出了本项目的电动机——三相异步电动机，并给出了所 用异步电动机的工作参数。继而对三相异步电动机的结构、原理及其控制调速 方法作了简单的分析，选择了本项目的调速方法——变频器调速。最后对变频 的功能、组成做了简要的说明，并给出了所用变频器的性能指标。 第四章 对整车控制器的软硬设计进行了详细描述， 从系统主机方案的选定 出发，以主机芯片的最小系统设计为基础，扩展到到外围控制电路的设计，包 括模拟量输入、数字量输入、脉冲信号输入、及通讯等电路。然后就是对软件 部分的总体运行设计说明。并对错误诊断程序作了详细说明。 第五章 去理工动力科技园进行了现场的软硬件调试，验证方案。 第六章 对全文进行了总结， 并对所做工作的不足和没有做到的地方做了展 望。
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第2章
本章
纯电动汽车的电池管理系统
2.1 动力电池的种类
常常用在纯电动汽车上面的动力电池有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、 二次锂电池。下面的表 2-1 对这几种动力电池做了简单的介绍与对比[18]。
电池种 比 能 量 比 功 率 寿命/次 类 /(W·h·kg-1) /(W·kg-1） 铅酸 35--40 50 400-1000
优点
缺点
生产公司
Ni-Cd
55
190
1000 以上
镍氢
65
200
500-1000
Li 离子
110
300
1000 以上
原 材 料 丰 能量密度 通用、丰 富、 价格低、 太低、寿 田、福特 技术成熟 命短 重金属镉 雷 洛 、 循 环 寿命 的污染严 Microcar 长、比能量 重、有记 、 标 志 较高 忆效应 雪铁龙 Seer 比功率大、 成本高、 Volta 、 能量密度高 温度高 Sony 、 Sanyo 一 致 性 日 产 、 比能量大、 差、安全 Polyster、 单体电压高 性不高、 Chrysler、 价格较贵 Varta
表 2-1 电动车汽车常用的动力电池
2.2 纯电动汽车对动力电池的基本要求
正如 2.1 节所说，动力电池的种类很多，但是在现在的实际情况中，并不是 每一种动力电池都可以作为纯电动汽车的储能装置。 因为每种电池的特性不同。 其实纯电动汽车对动力电池也是有一定要求的，大概是如下的几个方面。
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（1）充电时间短 电池本身对电池充电技术没有什么特别的要求，只要能够感应充电就可。 电池可以适应快速的充电要求， 电池只需要 20 分钟左右就可以充电到电池额定 容量的一半，并且动力电池应在 6 小时之内将其能量充满。 （2）比能量 比能量是保证蓄电池电动车汽车能够满足基本的合理的行驶路程的一个重 要指标，对蓄电池电动汽车来说，一般情况下，蓄电池 2 小时的放电率比能量 应该高于 44W·h/kg。 （3）连续放电率高 蓄电池每小时的放电率应该达到本身额定容量的 70%，适应需要快速放电 的环境。 （4）自放电率低 在电动汽车没有上路的情况下，为了保证蓄电池可以长期的存放，蓄电池 的自放电率要低。 （5）安全可靠 蓄电池应该洁净、干燥，这样电解质才不会发声渗漏而腐蚀外壳[30]和接线 柱。当汽车发生碰撞等不可避免的事故时，蓄电池不应该对乘客或驾驶员造成 直接或者是间接的伤害，更不能引起自燃或者燃烧。蓄电池中的有害金属可以 集中回收处理，废旧的电池也可以回收处理和在处理。为了使线路连接的更方 便，最好电池组可以采用机械装置进行整体快速更换。 （6）不需要复杂的运行环境 电池能够不受环境的温度影响，能够在常温的条件下正常并且稳定的行驶， 也不需要特殊的保温或者是加热管理系统，除此之外蓄电池也要能够适应电动 汽车在震动时的要求。 （7）寿命长、免维修、制造成本低 在蓄电池寿命规定的期限内，不需要对电池进行维护和修理；通常情况下， 电池的循环寿命应该高于 1000 次。 综合蓄电池本身的特性及纯电动汽车对蓄电池基本要求，我们选定的是锂 电池。
2.3 纯电动汽车电池管理系统的基本要求
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电池管理系统是根据实际应用的场合来设计的，在不同的场合，其功能也 不太相同。但是不同电池管理系统的很多基本功能却是大致相同的[21]。 纯电动汽车的电池管理系统的基本功能如图 2-1 所示。 下面先对改图的的各 项基本功能加以说明。
图 2-1 电池管理系统的基本功能
2.3.1 电池的状态监测
电池状态所监测的物理量一般是电流、电压和温度等。在这三个所监测物 理量里面，温度是最特别的，因为除了电池本身的温度要监测以外，还要对电 池箱的温度及环境的温度进行监测。电池状态的监测是其它各项功能的前提， 是电池管理系统的一个最基本的功能。
2.3.2 电池状态的分析
电池的状态分析从两方面入手，一个是电池的剩余电量评估（即 State of Charge，简称 SoC） ，另外一个是电池老化的程度评估（即 State of heath，简称 SoH） 。 SoC：池管理系统来说是一项重要的功能。对于一个电动汽车驾驶员来说， 他要时刻知道蓄电池的剩余电量还剩余多少，从而知道电动汽车还可以续使多 少公里路程，这就相当于在传统内燃机汽车上，驾驶员要注意剩余的油量是多 少一样。为了让驾驶员更直观的获取信息，SoC 还可以被换算成等效里程或者 是等效时间。不过，这些都是估算值，或多或少会会存在一些误差。 SoH：常用百分比来表示，电动汽车对动力电池的要求往往是，当蓄电池经 过至少 500 个周期的深度充电、深度放电循环使用后，其 SoH 仍然高达 80%。
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2.3.3 电池的安全保护
对电动汽车来说，动力的安全保护无疑是其最重要的功能。主要包括过流 保护、过充过放保护、过温保护。 过流保护：是动力充放电过程中，如果工作电流超过了规定的阀值，就应 该采取相应的保护措施。 过充保护：指为了防止动力电池在满容量的情况下对其充电而导致电池损 坏。 过放保护：指为了防止在动力电池的荷电状态是零的情况下，继续对电池 进行过渡的放电造成的损害。 过温保护：是指防止温度过高而对动力电池损害采取的一种保护措施。
2.3.4 电池的能量控制管理
动力电池的能量管理实际上是电池的优化管理的范畴。具体包括以下三个 方面。 电池的充电控制管理：主要是对充电电压、充电电流等参数进行优化控制， 从而可以是充满电的的时长更短、效率更高。 电池的放电控制管理：主要是根据电池的状态对放电电流的大小进行合理 的控制，这样可以适当的延长车辆的续航里程。 电池的均衡控制管理：这是为了降低电池的不一致性的负面影响采取的一 种控制方法，从而延长电池组的寿命。
2.3.5 电池的信息管理
由于在动力汽车里动力电池的个数是很多的，将会有海量的数据产生。所 有必须合理的对电池的信息进行管理。 电池信息的显示：主要是将动力电池组的剩余电量、电压、电流、温度及 相关的警告信息显示出来。 系统内外信息的交互：在电池管理系统中，具有“内网”和“外网”两个网络。 传递电池管理系统的内部信息用内网，而传递电池管理系统与整车控制器、电
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机控制器之间的信息用外网。 电池的历史信息存储：历史信息存储的主要功能是有利于发现故障，从而 方便排除。
2.4 动力电池管理系统的拓扑结构
由于纯电动汽车所需要的蓄电池很多，少则十几个，多则几十个，所以 对电池管理系统的拓扑结构的研究显得很有必要。在电池管理系统中，硬 件电路往往可以被分为电池监测回路（Battery Monitoring Circuit，缩写 BMC）和电池组控制单元（Battery Control Unit，缩写 BCU） 。所以，想要 研究电池的拓扑结构就要从 BMC 和各个单元电池之间的拓扑关系与 BCU 和 BMC 之间的拓扑关系这两个方面入手。
2.4.1 BMC 与单元电池的关系
图 2-2 “一对一”监测方式
在实际情况，可以在每一个单元动力电池上面安装 BMC，如图 2-2，对其 电流、电压和温度等物理量监测。在图中 BMC 主要负责检测这三个物理量， 除此之外，BMC 还可以通过总线与 BCU 进行通讯，来报告检测的有关信息。 旁路电阻对对应的动力电池实现能量耗散型均衡管理。 这种“一对一”的拓扑结构在一定程度上可以减少采样线路的长度，提高采 样精度和抗干扰性，但是因为对 BMC 的数目的需求很多，所以成本会比较高。 另外一种情况是， 在多个单元动力电池上面安装 BMC， 如,2-3 所示。 这种“多
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对一”的拓扑结构在一定程度上可以减少成本，但是，由于采样线路比较长，所 以提高了连接线的复杂度，降低了抗干扰性。
图 2-3 “一对多”监测方式
2.4.2BCU 与 BMC 的关系
BCU 与 BMC 的关系可以用动力电池的个数的多少来区分的。区非整合关 系和分离关系两种。 （1）对某些电动汽车，只需要小范围的行驶，故其驱动力不需要太大，所 以动力电池的个数相对较少，进而电池管理系统的规模也变小了。这样，我们 可以把 BCU 电路和 BMC 电路制在一块电路板上面，甚至可以将这两种电路的 功能集成在一块，这样会大大降低了成本。 （2）对某些做为城市公交用的电动车来说，其行驶时间要长，所以能源的 提供要充足，故会增加动力电池的数目。对于这类电动车来说，BCU 和 BMC 之间的通信会有特定的协议，但 BCU 和 BMC 的拓扑可以分为星型和总线型。 星型拓扑结构如下图 2-4 所示，BCU 带有一个总线集中模块，这样不同的 BMC 可以共享通信，但由于总线集中模块接口数量的限制，也会限制 BMC 的 扩展。另外，对于这种拓扑结构，BMC 之间没有直接的约束关系，所以，即使 某个 BMC 模块发生故障也不会对其它 BMC 模块与 BCU 之间的通信造成影响。
BMC 总线集中模块
BMC 1
BMC 2
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BMC n
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图 2-4 BCU 与 BMC 的星型连接 总线拓扑结构如下图 2-5 所示，对于这种拓扑连接 BMC 的扩展不会受到影 响，所以连接方式方便灵活。但这种拓扑连接有一个致命的缺点，就是通信线 路具有依赖性， 主要表现在两方面： 第一如果第 n 个 BMC 要与 BCU 进行通信， 必须利用前面 n-1 个 BMC 做为桥梁，第二如果第 n 个 BMC 出现了故障，则将 会影响 BCU 与其后续的 BMC 之间的通信。
图 2-4 BCU 与 BMC 的总线型连接 实际用的动力电池系统 图 2-5 实际用的电池管理系统
2.5 本章小结
首先介绍了纯电动汽车对动力电池的要求，然后从该角度出发并结合现有 的动力电池，选出了本项目的动力电池类型。继而对纯电动汽车电池管理系统 的基本要求作了简单的分析，并在根据电池管理系统的要求下总结了电池管理 系统可用的拓扑结构。
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第3章
纯电动汽车的驱动系统
电动汽车的驱动系统是将电能转换为机械能的一个子系统，故显得尤为重 要。纯电动汽车的驱动系统的作用在驾驶员的控制下(加速踏板和制动踏板)下， 可以以比较高的效率将蓄电池的能量转换为汽车车轮运动的动能，或者通过制 动，可以将汽车车轮上的动能反馈充电给蓄电池。电动汽车的电机驱动系统一 般由电气部分和机械部分组成。电气部分主要由整车控制器、功率转换器和电 动机三个系统构成，整车控制器由汽车专用处理器、中间连接电路和一系列传 感器组成。传感器的作用是把电压、电流、温度、速度、扭矩和电磁通等信号 采集转变为电信号；连接器的作用是把电信号调整到恰当的值后，送给处理器 处理。汽车处理器输出的信号，常常要经过放大电路才能驱动功率转换器上的 半导体元件。功率转换器还可以调节电动机和车轮上的动能反馈到蓄电池的能 量。电动机可以直接安装在车轮上面或者通过机械传动装置连接在一起。机械 部分主要有机械传动装置和车轮构成。
图 3.1 电动机驱动系统的基本组成图 纯电动汽车的驱动系统一般由整车控制器、电动机及机械传动系统组成。 踏板位置处所需要的电压、电流等参数可以通过整车控制器送给电动机，踏板 的这个控制功能就好比传统内燃机汽车的油门踏板。纯电动汽车驱动系统所要 求的扭矩范围决定了电动机的成本，所有从成本的角度来说，在传至驱动车轮 前，最好可以把电动机的转速最大程度的减小。但想获得希望的的最高车速和
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爬坡能力，最好有相应的变速箱匹配给驱动电动机，变速箱要根据所选电动机 的转速和性能来选择。但是在实际情况中，最高车速和爬坡能力要受到汽车自 带的蓄电池的输出功率所限制。
3.1 电动汽车常用的电动机
下面我们首先看看电动机的分类： （1）按工作电源的种类分 按电动机的工作电源分可以把电动机分为直流电动机和交流电动机。 对于直流电动机来说，其按机构和工作原理可以分为有刷直流电机和无刷 直流电机。而有刷直流电机又可分为电磁直流电机和永磁直流电机。电磁直流 电机又可以分为直励直流型、并励直流型、它励直流型及复励直流型。永磁直 流电机可分为稀土永磁直流型、铁氧体永磁直流型及铝镍钴永磁直流型。 对于交流电机来说其可以分为单相电机和三相电机。 （2）按起动与运行方式分 按起动和运动方式划分的话，电动机可分为电容转动式单相异步电机、电 容起动单相异步电机、电容起动运转式单相异步电机与分相式单相异步电机。 （3）按转子的结构分 按转子结构划分的话，可分为绕线转子感应电动机和笼型感应电动机。 （4）按结构和工作原理分 按结构和工作原理划分的话，可把电动机分为同步电机、异步电机、直流 电机。 对于同步电机来说，又可分为磁滞同步电机、磁阻同步电机及永磁同步电 机。 对于异步电机来说，又可分为交流换向式和感应电动式。交流换向式又可 分为单相串励型、推斥型交直流两用型。感应式又可分为单相异步型、三相异 步型及罩极异步型。 （5）按转速分 按转速来划分的话，可把电动机分为低速电机、高速电机、调速电机及恒 速电机。 对于低速电机来说，又可分为齿轮减速型、电磁减速型、力矩电机型及爪 极同步型。
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新能源汽电机电控最新深度分析 一、市场空间 新能源汽车电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代，其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标，电机电控系统其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。电控和电机占比约为20%至30%，整车制造及其他零部件占到30%以上。通常一辆新能源汽车搭载电机与电控各一个，高达96%的纯电动汽车电机与电控为配套供应，电机与电控的配套能够尽可能的实现零部件集成化，未来“三电”配套是行业共识。 市场测算2020年我国电驱动系统310亿元需求规模，预计2020年新能源汽车产量达到200万辆水平，其中新能源乘用车占比达到73%、新能源专用车占比14%、新能源客车占比12%。 图表1：新能源汽车成本拆解
二、电机电控行业发展现状 1.电机行业分析 国内车用驱动电机多用永磁同步电机，原材料成本的占比较高，主要包括铁芯叠片、驱动轴体等钢材，钕铁硼等稀土永磁材料，镁铝合金以及铜材等基本金属。永磁电机核心的原材料就是钕铁硼磁材，钕铁硼磁性材料是钕、氧化铁等的合金，2015年全球钕铁硼永磁材料产量为14.3万吨，中国产量占比达到88.8%。 图表2：永磁电机的成本构成 长期以来国外电机企业在高端电机领域处于主导地位，包括专业汽车零部件供应商，如采埃孚（ZF）、大陆（Continental）、博世（Bosch）国际汽车供应量巨头。台湾富田电机是特斯拉车用电机的独家供应商，并向宝马MiniE车型供应交流电机的定子与转子硅钢片。2013年，富田电机共向特斯拉供应驱动电机2.6万台，2015年产量突破5万台，2016年突破8万台，随着MODEL3的正式启动量产，电机独家供应商富田电机将深度受益。
纯电动汽车整车控制器硬件电路开发与设计 摘要：纯电动汽车整车控制器作为纯电动汽车控制系统的核心部件，直接影响 着整车的动力性、经济性和可靠性。 关键词：纯电动汽车；整车控制器硬件；电路开发；设计 引言：纯电动汽车是由多个子系统构成的一个复杂系统，各子系统几乎都通 过其控制单元（ECU）来完成各自功能和目标。为了满足整车动力性、经济性、 安全性和舒适性的目标，各系统还必须彼此协作，优化匹配。因此，必须要有一 个整车控制器来管理协调电动汽车中的各个部件。整车控制器通过采集驾驶员的 操作信息与汽车状态，进行分析与运算，通过 CAN 总线对网络信息进行管理和调度，并针对车型的不同配置，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优 化控制、制动回馈控制和网络管理等。 1纯电动汽车电控系统组成及工作原理 1.1 电控系统组成 纯电动汽车电控系统主要由整车控制器（VCU）、驱动电机及其控制器、动 力电池及BMS、电转向助力及其控制器、电空压机及其控制器、DC/DC、操控面 板等组成。 1.2 工作原理 纯电动汽车以动力电池作为全车的动力源，为各个高压用电设备提供动力。 其中：电空压机为整车提供气源；转向助力泵为整车提供转向助力；DC/DC将动 力电池的高压电转化为低压电，提供给车载低压设备使用；整车控制器负责采集 和处理信号，控制驱动电机工作，实现整车正常行驶与制动。 2 整车控制器的功能模块组成及工作原理 2.1 工作原理 整车控制器（VCU）作为纯电动汽车的核心部件，通过读取和处理驾驶员的 驾驶操作指令，与电机驱动系统、电池管理系统（BMS）及其它控制单元进行交互，使车辆按驾驶期望行驶。另外，还可动态监测系统故障，根据故障的紧急程 度作出相应的保护，例如紧急情况下可切断高压系统以保证车辆行驶安全等。 2.2功能模块组成 整车控制器主要由微控制器模块、电源模块、开关量输入和输出模块、模拟 量输入和输出模块、频率量的输入和输出模块、CAN总线模块、存储模块等组成。 2.2.1 微控制器模块 微控制器（MCU）是整车控制器的核心，它负责信号的采集和处理、逻辑运 算以及控制的实现等。本文选用的是DSP芯片TMS320F28335，该芯片在性价比、功耗、运算能力、存储空间、CAN通讯方面等均有很好的表现，完全可以满足整 车控制器的需要。微控制器模块主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、存 储电路，JTAG接口电路等。1）电源电路：选用的是TPS767D301-Q1，该芯片是 专业的汽车级芯片，其输入电压为2.7～10 V，一路输出固定电压3.3 V，另一路 输出可调电压，每路最大输出电流为1 A [3] 。本文通过降压电路将24 V转换为5 V，再通过TPS767D301-Q1将5 V转为DSP芯片所需的3.3 V和1.9 V。2）时钟电路：TMS320F28335 时钟频率为150MHz，由外部时钟信号通过DSP内部的PLL倍 频得到。3）复位电路：为方便调试，增加了复位按钮，当按下复位按钮后，会 产生一个低电平脉冲输入到DSP的复位引脚中。4）JTAG接口电路： TMS320F28335通过JTAG接口与仿真器连接，实现DSP的在线编程和调试。
电动汽车电控系统预充电原理 首先，要明白为什么要在电控系统中设计预充电路？ 如图所示，电池所带的电机控制器负载，前端都有较大的电容C，在冷态启动时，C上无电荷或只有很低的残留电压，当无预充电时，主继电器K+、K-直接 与C 接通，此时电池电压VB 有50V 以上高压，而负载电容C 上电压接近0，相 当于瞬间短路，负载电阻仅仅是导线和继电器触点的电阻，一般远小于20mΩ。按根据欧姆定律，回路电阻按20mΩ计算，VB 和VC 压差按300V 计算，瞬间电 流I=300/0.02=15000A。继电器K+及K-必损坏无疑。 其次，预充解决方案（预充主要体现在高压配电盒电气设计） 加入预充电过程，K+先断开，让阻抗较大的Kp 和R 构成的预充电回路先接通，我们一般选择预充电电阻为100 到200 欧姆，这里我们用的200 欧姆。VB 与VC 压差仍然按300V 计算，在接通一瞬间，流过预充电回路进入电容C 的最大电流 Ip=300/200=1.5A。而预充继电器容量是10A，所以预充回路安全。 当预充电电路工作时，负载电容C 上的电压VC 越来越高（预充电电流Ip 越来 越小），当接近电池电压VB 时（图中的ΔV 足够小），这时，切断预充电，接通主继电器K+，不再有大电流冲击。因为I=(VB-VC)/R，此时VB-VC 很小，所以电流小。 图：正常预充电简化示意图 电容充电时间： 电容充电放电时间计算公式设，V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t 时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]
第一章绪论 1.1 课题的目的意义： 1.1.1 纯电动汽车的背景 当前，我国电动汽车发展已经进入关键时期，既面临重大的发展机遇，也面临着严峻的挑战。我国电动汽车发展中还存在很多需要解决的问题，如核心技术还不具备竞争力，企业投入不足，政府的统筹协调能力还没有充分发挥等。总体上看来，我国电动汽车产业，起步不晚，发展不慢，但是由于传统汽车及相关产业基础相对薄弱、投入不足，差距仍然存在，中高端技术竞争压力越来越大，因此，必须加大攻坚力度，推动我国汽车产业向创新驱动转型，提高核心技术竞争力，确保我国汽车行业的可持续发展。 纯电动汽车使用电动机作为传动系统的动力源，缓解了能源紧缺的压力，实现了人们长期以来对汽车零尾气排放的期盼，传动系统作为汽车的核心组成部分，其技术创新是纯电动汽车发展的必经之路。 1.1.2 纯电动汽车的意义 近年来，关于纯电动汽车的研究主要集中在能量存储系统、电驱动系统和控制策略的开发研究三方面。 能量存储系统相当于纯电动汽车的发动机，是纯电动汽车电动机所需电能的提供者。目前，铅酸蓄电池是使用最为广泛的，但其充电速度较慢，使用寿命短，节能环保差。随着电动汽车技术的发展，其他电池正在渐渐取代着铅酸蓄电池。目前发展的新电源有纳硫电池、锂电池、镍镉电池、飞轮电池、燃料电池等，尽管这些新电源投入应用，但是短时间内还是无法解决纯电动汽车电源充电缓慢，电量存储低续航里程短的问题。 纯电动汽车整车控制策略的开发研究一直在紧锣密鼓的进行着，整车控制系统是纯电动汽车实现整车控制和管理的关键，是实现和提高整车控制功能和性能水平的一个重要技术保证。其核心技术主要体现在整车控制软件的架构设计、转矩控制策略以及对整车和各系统得能量管理上。尽管控制策略的开发研究一直没有间断，但是，系统开发较为复杂，进度较慢。
论纯电动客车驱动电机冷却系统匹配及控制 摘要：本文主要对论纯电动客车驱动电机冷却系统匹配及控制进一步分析了解。新能源汽车产业作为我国汽车工业的发展战略，能够有效地解决日益严峻的能源 危机与环境污染问题。 关键词：纯电动客车；驱动电机；冷却系统；控制；现状 引言： 纯电动客车因具有零排放、低噪音等突出特点也成为各大客车生产商着重发 展的车型。纯电动客车驱动电机作为汽车唯一的动力源，其可靠性直接影响着电 动汽车的性能。为了防止由于温度过高的原因使得电机永磁体产生退磁现象，甚 至影响到电机及其控制器的寿命和整车安全性，驱动电机及其控制系统的温度控 制显得尤为重要。因此，对纯电动客车驱动电机冷却系统进行合理的匹配并制定 科学有效的控制策略具有重要工程实际意义。 一、纯电动客车发展现状 随着国家对新能源汽车产业的大力推广，补贴优惠政策相继出台，推动了我 国纯电动汽车行业的发展，各大汽车企业纷纷制定新能源汽车发展规划，电动汽 车产品产销量逐年稳步提升，纯电动客车现已成为我国城市公交、中短途客运、 观光旅游等众多领域备受关注的新兴产品。 纯电动汽车所使用的驱动电机主要可分为：直流电机、异步电机、永磁同步 电机、开关磁阻电机。早期电动汽车大多采用直流电机作为能量转换装置，直流 电机具有控制容易、调速方便、技术较为成熟等优点，但是机械结构较为复杂， 其瞬时过载能力较差，长时间工作损耗较大，维护成本高，运转时电刷易使转子 产热，并产生高频电磁干扰。异步电机主要由定子、转子、端盖、轴承基座风扇 等几部分组成。相对于永磁同步电机其突出优点是成本低、制造简单、转速范围广、可靠性强、维修方便。但由于异步电机的转速与其旋转磁场转速有一定的转 差关系，其调速性能较差。开关磁阻电机作为一种新型驱动电机，其结构简单、 转速范围广、整个转速范围内效率高、系统可靠性高、兼有直流、交流两种电机 的优点。其缺点是存在转矩脉动，转子上的转矩有一系列脉冲转矩的叠加，因双 凸极结构和磁路饱和非线性影响，合成转矩有一定的谐波分量，影响开关磁阻电 机的低速性能。永磁同步电机（PMSM）具有结构坚固、功率密度大、电机效率高、转矩密度高、控制精度高、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点。在新能 源汽车驱动方面具有很高的应用价值。其缺点是永磁体成本高、对温度敏感，在 温度较高时会产生不可逆的退磁现象影响其使用性能。 二、电动汽车驱动电机冷却系统简述 根据冷却系统所选用冷却介质不同，驱动电机的冷却形式可以分为风冷和液 冷两种方案。风冷可分为自然风冷和强迫风冷。液冷方案常用水、油等作为冷却液。由于纯电动客车驱动电机安装位置特殊，风冷不能满足其散热需求，目前普 遍采用液冷方式，包括油冷和水冷；冷却油的导热系数及热容量均小于水，且成 本较高。因此，纯电动客车驱动电机多采用冷却液冷却的形式。冷却液的主要成 分为：乙二醇、防腐蚀添加剂、抗泡沫添加剂、水。在电机机壳体中设计出水道 结构，通过冷却液在水道中的流动与机壳进行换热从而实现冷却功能。根据电机 水道布置方式的不同有以下四种结构方案：螺旋结构、半螺旋结构、圆周结构、 轴向结构。由于电动客车驱动电机散热环境的特殊性，电机的温度控制对冷却系 统有较高的要求。因此，结合电机布置方案和电动车行驶工况，设计有效的冷却
纯电动汽车整车电控系统的现代研究 摘要近年来我国的能源问题与环境问题变得越来越突出，而纯电动车在应用过程中具备有节能环保、效率高以及噪音较低等诸多优势，因此在我国的新能源行业中受到了高度的重视。但纯电动汽车上具备有非常多的电气节点，这也就需要进一步提升各个节点间信息的实时共享性，并借此来提升整个电动汽车的运行性能。本文主要就电动汽车的整车电控系统进行了分析研究。 关键词纯电动汽车；整车电控系统；研究 近年来我国的新能源行业得到了一定程度的发展，使得纯电动汽车行业也得到了迅速的发展。整车控制单元作为纯电动汽车结构中的关键部分，其需要与该汽车中的启动系统、充电控制系统以及仪表显示系统等其他系统来进行配合，因此说整车控制单元的性能也会直接影响到整个电动汽车的使用性能。借助于良好的整车电控系统，能够促使该电动汽车的稳定前行，其对于我国电动汽车行业的进一步发展也有着非常重要的意义。 1 纯电动汽车的整车电控系统简析 电控系统对于纯电动汽车而言就像是人体的大脑一般，其能够通过对各个子系统的功能进行综合的方式来进行电动汽车的有效控制，并确保电动汽车在实际运行过程中的安全性与稳定性。纯电动汽车的整车电控系统（VCU）作为调度控制中心，其主要作用在于通过纯电动系统与其他模块之间的通信，来对汽车的运行状态进行控制，从而确保汽车运行的稳定性与安全性。在纯电动汽车的整车控制器之中，主要是由开关量输入/输出、电源电路、CAU通信模块以及A/D信息采集模块这四部分构成的，其中开关量输入/输出这一模块主要值得是在该电动汽车中，通过控制继电器的模式来进行整车系统的有效控制，并在此基础上对该电动汽车上面的各种继电器结构起到良好的控制效果。电源电路的核心为电源模块，通过该模块能够直接在车载蓄电池中进行电能的获取，并且能够对开关量所输入的档位信息以及制动信息等多种信息进行有效的处理。CAU通信模块的作用在于实现整个电动汽车整车的通信控制，并能够将各种操作信号及时传递给相关的部件，从而取得良好的控制作用。A/D信息采集模块的作用则是对该电动汽车的加速以及制动信号进行采集与调度，然后对电动汽车的信息转换起到一定的指挥效果[1]。 2 纯电动汽车的整车电控系统流程简析 2.1 通信模块的控制 在通信模块上能够借助于CAN通信模块来进行纯电动汽车整车电控系统的连接工作，并在整车电控系统内部形成一个完善的通信结构。电动汽车的通信模块需要同时负责电机控制、整车控制、电池管理以及充电系统等多个通信模块。当CAN通信模块接收到各项信息之后，就能够对该电机所控制的信息进行计算，
电动汽车驱动控制系统设计 摘要 驱动系统是电动汽车的心脏，也是电动汽车研制的关键技术之一，它直接决定电动汽车的性能，本文根据异步电动机矢量控制理论，结合电动汽车的实际要求，研究设计基于无速度传感器矢量控制的电动汽车驱动系统。矢量控制通过坐标变换将定子电流矢量分解为转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现异步电动机磁通和转矩的解耦控制，已达到直流电动机的控制效果。最后，在Matlab环境中建立了仿真系统，验证了无速度传感器矢量控制系统原理应用于电动汽车驱动系统的可行性。 关键词：电动汽车；驱动系统；异步电动机；无速度传感器矢量控制
ABSTRACT Driving system is the heart of EV and one of the key parts of the vehicle that determines the performance of the EV directly. According to the control technique、the method of induction motor drive system and based on the factual requirement of EV, the speed sensorless vector control was designed in this article. By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively, So magnetic flux and torque are decoupled. It controls the asynchronous motor as a synchronous way. Finally, intimation system is established in the environment of Matlab to validate these control arithmetic. The system proved its enormous practical value of application. Key words: EV; Drive system; Induction motor; speed sensorless vector control
纯电动汽车驱动电机应用概述 郑金凤 胡冰乐 张翔 (福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002) 摘 要：介绍了目前纯电动汽车的发展状况，叙述了纯电动汽车驱动电机不同类型的特点及相关的控制方法。还介绍了一些目前应用比较广泛的驱动电机控制方法的主要内容及其所解决的相关问题。 关键词：纯电动汽车 驱动电机 矢量控制 直接转矩控制 中图分类号：TP202 文献标识码：A Driving Motor for Electric Vehicles Application Overview Zheng Jinfeng Hu Bingle Zhang Xiang (College of Mechanical and Electronic Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China) Abstract: the current state of development of electric vehicles and features of the electric vehicles are described.Otherwise,driving motors and its control methods are narrated. Also major contents of some driving motor control methods applied extensively at present and its related issues are discussed. Key words：Electric vehicle，Drive motor，Vector control，Direct Torque Control 引言 由于环境保护越来越受消费者和政府的重视，以及能源价格的不断上涨，使得世界的汽车制造商都纷纷加大开新能源汽车开发力度。在去年金融危机的影响下，今年以来，由于全球大多主流的汽车市场纷纷出现衰退，尤其以美国和日本为代表的两大汽车市场出现了急剧下滑，使得美国和日本汽车厂家不得不加速原本保守的计划，从而重新刺激美国和日本等原有核心市场。而电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，因此备受汽车界的推崇。在中国，政府今年也不断的推出各种政策来促进纯电动汽车的发展。回顾一下国际上电动汽车的发展史，连这次至少有四次，世界汽车工业界要启动纯电动汽车，但是前三次都失败了。前三次失败主要是因为电池。前三次基本上都是以铅酸电池为基础，由于他的比能量和比价格都比较差，所以没有得到推广。现在随着电池技术的不断发展，使得纯电动汽车的推广得以实现。现在纯电动汽车主要采用的是锂电池，锂电池的比能量是铅酸电池的八到十倍，且质量轻。今年比亚迪、丰田、奇瑞等汽车公司都将推出各自的纯电动汽车。并且电动汽车将可能慢慢成为汽车发展的一种趋势和必然[1,2,3]。 1各种电动汽车驱动电机的性能[4-11] 纯电动汽车关键的难点重点在于电池技术和驱动电机。电池技术已经在一定程度上得到了突破。下面主要讨论一下驱动电机的相关状况。 1.1电动汽车驱动电机控制的关键问题 电动汽车是以车载电源为动力，并采用电动机驱动的一种交通工具。电机及其驱动系统是电动汽车的核心部件之一，由于电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作，对驱动系统的有着很高的要求。下面主要阐述控制过程中的一些关键问题: （1）用在电动汽车的电动机应具有瞬时功率大、过载能力强(过载3～4倍)、加速性能好，使用寿命长的特点。 （2）电动汽车用电动机调速范围应该宽广，包括恒转矩区和恒功率区。要求在低速运行时可以输出大恒定转矩，来适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求；高速时能够输出恒定功率，能有较大的调速范围，以适应平坦的路面、超车等高速行驶要求。
纯电动汽车的结构分析和驱动系统性能比较 摘要 纯电动汽车驱动形式有很多种，为了选择最合适的驱动系统，我们对不同驱动系统的结构特征进行了分析，在纯电动汽车上匹配不同的驱动系统后比较其动力性；以城市驾驶循环为例建立车辆能耗模型来比较其经济性。结果显示：单电机直接驱动系统虽然最简单，但其性能最差；装配两速变速器后，动力性显著改善，汽车行驶里程增加3.6％，但自动变速的功能难以解决;采用轮毂电机驱动系统可以改善汽车的动力性，但实际行驶效率不高;而双电机耦合驱动系统可以实现高效率行驶，其行驶里程比单电机直驱增加了7.79％，并且因为其具有结构简单，行驶效率高等特点，所以适用于现在的纯电动汽车。 绪论 作为核心部件，电力驱动系统的技术水平直接制约纯电动汽车的整体性能。如今，有多种驱动系统可以使用。根据车轮驱动扭矩的动力源，驱动系统的模式可分为整体式驱动和分布式驱动。整体式驱动系统的驱动扭矩由主减速器或次级减速器或差速器来调节，主要包括单电机直驱和主副电机耦合系统。在分布式驱动中，每个驱动轮都有一个单独的驱动系统，轮毂电机驱动系统是分布式驱动的主要形式。 整体式驱动的技术相对比较成熟，但驱动力通过差速器被大致平均分配到左、右半轴，单个驱动轮的转矩在大多数车辆中不能独立地调节。因此不安装其他的传感器和控制器，我们很难对汽车的运动和动力进行控制[1]。分布式驱动近几年飞速发展，由于大多数车轮和电动机之间的机械部件被替换，因此分布式驱动系统具有结构紧凑和传动效率高的优点[2]。 为了选取最适合纯电动汽车的驱动方式，本文对不同驱动系统的结构特征和动力性经济性比较进行了比较说明。本文结构如下：第二部分为驱动系统的结构特征分析，第三部分介绍驱动系统的参数和部件性能，第四部分比较不同驱动系统的动力性，第五部分比较不同驱动系统的经济性，第六部分得出结论。 结构分析 整体式驱动 整体式驱动系统被广泛应用于各类电动车辆，其主要结构如图1所示。其中M是电动机，R是固定速比减速器，T是变速器，D是主减速器，W是车轮。图1 a是单电机直驱系统，其扭矩由主减速器调节，通常称为直驱系统。图1 b和直驱系统十分相似，除了扭矩由变速器调节。因为驱动电机的速比调节范围比内燃机的更大，所以能以较少的齿轮数目的传动来满足在任何工况下的电动汽车需求。图1 c是另外一种整体式驱动形式，其采用两个驱动电机和主减速器，其中一个电机在大多数工况下作为汽车的动力来源，另外一个电机只有在需要附加功率时才会工作。
纯电动汽车高压电气系统安全设计摘要：在电动汽车研发安全设计中，纯电动汽车安全设计除与传统燃油车一样考虑乘员的主动安全与被动安全外，还需重点考虑动力电池系统和高压系统安全。为解决纯电动汽车高压电系统的安全问题，文章对高压部件和高压线束防护与标识、预充电回路保护、高压设备过载/短路保护、绝缘电阻检测、动力电池电流电压检测、高压接触器触点状态检测、高压互锁电路检测、充电互锁检测、高压系统余电放电保护以及碰撞安全等高压系统潜在的安全问题提出了相应的解决方案，形成一整套完整的电动汽车高压电气系统的安全设计方案。该方案能确保电动汽车高压系统安全可靠地运行。关键词：纯电动汽车；高压电气系统；高压触点；绝缘电阻；高压互锁；碰撞安全。 现代电动汽车一般分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、外接式可充电混合动力汽车及增程式电动汽车。纯电动汽车是指完全由蓄电池提供电力驱动的电动汽车，工作电压高达几百伏，远远高于安全电压。且高压系统工作时放电电流有可能达到数十安，甚至高达上百安[1]。当高压电路发生绝缘、短路及漏电等情况时，会直接对驾乘人员的人身生命财产安全造成危害。 因此，在设计高压系统和对高压系统关键部件进行选型时，不仅要满足整车驱动的要求，还必须确保驾乘人员和汽车运行环境安全。因此，纯电动汽车整车的电气系统安全性已成为评价纯电动汽车安全性的一项重要指标。文章简述了某公司纯电动轿车高压电气系统的安全设计与控制策略。 1纯电动汽车电气系统安全分析 纯电动轿车电气系统主要包括低压电气系统、高压电气系统及CAN通讯信息网络系统。低压电气系统采用12V供电系统，除了为灯光照明系统、娱乐系统及雨刷器等常规低压用电器供电外，还为整车控制器、电池管理系统、电机控制器、DC/DC转换器及电动空调等高压附件设备控制回路供电； 高压电气系统主要包括动力电池组、电驱动系统、DC/DC电压转换器、电动空调、电暖风、车载充电系统、非车载充电系统及高压电安全管理系统等； CAN总线网络系统用来实现整车控制器和电机控制器、以及电池管理系统、高压电安全管理系统、电动空调、车载充电机和非车载充电设备等控制单元之间的相互通信。 纯电动汽车电压和电流等级都比较高，动力电压一般都在300～400V（直流），电流瞬间能够达到几百安。人体能承受的安全电压值的大小取决于人体允许通过的电流和人体的电
纯电动汽车的驱动电机系统详解 驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱
动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机 转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电
纯电动汽车整车控制器的构成、原理、功能说明 整车控制器是电动汽车正常行驶的控制中枢，是整车控制系统的核心部件，是纯电动汽车的正常行驶、再生制动能量回收、故障诊断处理和车辆状态监视等功能的主要控制部件。整车控制器包括硬件和软件两大组成部分，它的核心软件和程序一般由生产厂商研发，而汽车零部件供应商能够提供整车控制器硬件和底层驱动程序。现阶段国外对纯电动汽车整车控制器的研究主要集中在以轮毂电机驱动的纯电动汽车。对于只有一个电机的纯电动汽车通常不配备整车控制器，而是利用电机控制器进行整车控制。国外很多大企业都能够提供成熟的整车控制器方案，如大陆、博世、德尔福等。 1整车控制器组成与原理 纯电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案。集中式控制系统的基本思想是整车控制器独自完成对输入信号的采集，并根据控制策略对数据进行分析和处理，然后直接对各执行机构发出控制指令，驱动纯电动汽车的正常行驶。集中式控制系统的优点是处理集中、响应快和成本低；缺点是电路复杂，并且不易散热。分布式控制系统的基本思想是整车控制器采集一些驾驶员信号，同时通过CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信，电机控制器和电池管理系统分别将各自采集的整车信号通过CAN总线传递给整车控制器。整车控制器根据整车信息，并结合控制策略对数据进行分析和处
理，电机控制器和电池管理系统收到控制指令后，根据电机和电池当前的状态信息，控制电机运转和电池放电。分布式控制系统的优点是模块化和复杂度低；缺点是成本相对较高。典型分布式整车控制系统示意图如下图所示，整车控制系统的顶层是整车控制器，整车控制器通过CAN总线接收电机控制器和电池管理系统的信息，并对电机控制器、电池管理系统和车载信息显示系统发送控制指令。电机控制器和电池管理系统分别负责驱动电机和动力电池组的监控与管理，车载信息显示系统用于显示车辆当前的状态信息等。 典型分布式整车控制系统示意图 下图为某公司开发的纯电动汽车整车控制器组成原理图。整车控制器的硬件电路包括微控制器、开关量调理、模拟量调理、继电器驱动、高速CAN总线接口、电源等模块。
新能源电动汽车电驱动 系统 标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N]
现代电动汽车电驱动系统主要由四大部分组成：驱动电机、变速器、功率变换器和控制器。驱动电机是电气驱动系统的核心，其性能和效率直接影响电动汽车的性能。驱动电机和变速器的尺寸、重量也会影响到汽车的整体效率。功率变换器和控制器则对电动汽车的安全可靠运行有很大关系。 电驱动系统的由以下几个部分组成： 1．电动汽车驱动电机 选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小、续驶里程较短的电动汽车现状显得尤为重要。早期电动汽车驱动电机大部分采用他励直流电机(DCM)。直流电机驱动系统改变输入电压或电流就可以实现对其转矩的独立控制，进行平滑调速，具有良好的动态特性，并且有成本低、技术成熟等优点。但是，直流电机的绝对效率低，体积、质量大，碳刷和换向器维护量大，散热困难等缺陷，使其在现代电动汽车中应用越来越少。随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及新材料的出现和现代控制理论的应用，机电一体化的交流驱动系统显示了它的优越性，如效率高、能量密度大、驱动力大、有效的再生制动、工作可靠和几乎无需维护等，使得交流驱动系统开始越来越多地应用于电动汽车中。目前在电动汽车中，主要采用永磁同步电机(PMSM)驱动系统、开关磁阻电机(SRM)驱动系统和异步感应电机(肼)驱动系统。 永磁同步电机(PMSM)是一种高性能的电机，具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、控制灵活的优点，在电动汽车上得到了广泛的应用，是当前电动汽车用电动机的研发热点，是异步感应电机的最有力的竞争对手。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电机，如Honda公司的EV Plus、Nissan公司的Altra和Toyota公司的RAV4及Prius车型等。但是，永磁电机的磁钢价格较高，磁性能受温度振动等因素的影响，有高温退磁等问题。 开关磁阻电机(SRM)是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型调速电机。开关磁阻电机工作时，依次使定子线圈中的电流导通或截止，电流变化形成的磁场吸引转子的凸出磁极从而产生转矩。开关磁阻电机结构简单，成本较低，可靠性高，起动性能和调速性能好，控制装置也比较简单。然而在实际应用中，开关磁阻电动机存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，所以目前应用开关磁阻电机的驱动系统仍然很少，主要以Chloride公司的“Lucas”电动汽车为代表。 异步感应电机(M)具有结构简单、坚固、成本低、可靠性高、转矩脉动小、噪声小、转速极限高、无需位置传感器及免维护等特点，因而在电动汽车驱动电机领域里，是应用很广泛的一种无换向器电机。近年来，由IM驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。 异步电机的矢量控制调速技术也比较成熟，其电驱动系统具有良好的性能，因此被较早地应用于电动汽车，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品。迄今为止，美国“Impact’’系列、“ETX．2”型，日本“Cedric"、“OTwn"、“FEV"型，德国 “T4”、“190’’型等电动汽车均采用异步感应电机。异步电机的最大缺点是驱动电路复杂，效率比永磁电机和开关磁阻电机低，特别是在轻载运行时效率更低。因此，如何进一步提高异步电机的运行效率，己经成为人们关注的重要课题。 2．变速器
解析纯电动汽车的核心部件：电机/电池/电控 导读：纯电动最直接和简单的区别就是发动机不一样，纯电动使用电动机代替了传统的柴油/汽油发动机，以电池组代替了燃油，为电动机提供动力。其中还有一个最主要的部件就是电控系统，电控系统由电池管理系统和控制系统构成，管理电池组和控制电池的能量的输出以及调节电动机的转速等等。 纯电动卡车，这个名字不经意间就进入了我们的世界，从最开始的单纯的更换电动机到现在的整套纯电动动力链，纯电动卡车已经不再是简单的电动机代替柴油机的时代了。 ●纯电动不等于换发动机电动车也有三大件 和普通的柴油、汽油发动机的卡车相比，纯电动最直接和简单的区别就是发动机不一样，纯电动使用电动机代替了传统的柴油/汽油发动机，以电池组代替了燃油，为电动机提供动力。其中还有一个最主要的部件就是电控系统，电控系统由电池管理系统和控制系统构成，管理电池组和控制电池的能量的输出以及调节电动机的转速等等。
目前国内最简单的纯电动卡车就是把柴油机换成电动机，在原来发动机的位置焊接一个支架安装电动机，这样的方式最原始也是最简单的，没有任何的控制系统，这样的纯电动卡车甚至还保留了手动变速箱。
经过技术的不断发展，纯电动卡车已经由简单粗暴的更换电动机发展到拥有整套控制系统、电池管理系统、电动机等等。对于一辆成熟的纯电动卡车来说，拥有成熟的三大件（电动机、电池、电控系统）才可以称之为真正的纯电动卡车。 ●纯电动卡车要求高电动机是重点 1、电动汽车电机应该具备较大的起动转矩、良好的启动性能和良好的加速性能来满足电动汽车的频繁启/停、加/减速和爬坡等要求； 2、电动汽车电机应该具备较宽的恒功率范围，以满足电动汽车高速行驶的需要； 3、电动汽车电机应该具备较大范围的调速能力，在低速时具有较大的转矩，在高速时具有高功率，能够根据驾驶需要，随时调整电动汽车的行驶速度和相应的驱动力； 4、电动汽车电机应该具备良好的效率特性，在较宽的转速/转矩范围内，获得最优的效率，提高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得85%～93%的效率； 5、电动汽车电机的外形尺寸要求尽可能小，质量尽可能轻； 6、电动汽车电机应该具备良好的可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，运行时噪音低，维修方便； 7、结合控制器是否能有效的回收制动产生的能量。 ●电动机种类多永磁同步电机占多数 电动机分为直流电动、异步电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机等等，这几种电动机各有特点，通过下表就可以直观的看到几种电动机之间的异同点。
几种常用电动汽车的驱动系统的比较及永磁同步电动机的相对优势 2012年1月30日 电动汽车用永磁同步电机的发展分析 彭海涛，何志伟，余海阔 (华南理工夫学电力学院，广州510640) 摘要：简要的比较了几种常用电动汽车的驱动系统，并指出了永磁同步电动机的优势。在各类驱动电机中，永磁同步电机能量密度高，效率高、体积小、惯性低、响应快，有很好的应用前景，介绍了电动车驱动用永磁同步电机的目前研究状况以及目前的研究热点和发展趋势。关键词：电动汽车；永磁同步电机；弱磁控制；控制策略；应用 中圈分类号：TM351, TM341 文献标志码：A 文章编号：1001—6848[2010)06-0078-04 O引言 电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样他和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[2]。 随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。 1电动汽车用电动机及驱动系统比较 电气驱动系统作为现代电动汽车的核心，主要包括：电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)网类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明，其总体比较见表l。 1.1直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产生火花，容易对无线电产
94 ·January -CHINA 焦建刚 (本刊编委会委员) 现任济南鲁鹰丰田汽车销售服务有限公司总工程师，山东交通学院客座教授；曾任博世山东培训基地主任。对当代汽车故障诊断以及电子控制系统波形有较深入的研究，著有《现代汽车电子控制系统波形分析》一书。 纯电动汽车结构与原理介绍 ◆文/山东 焦建刚 图1 2015年世界新能源汽车销量排名 一、新能源汽车的定义及发展概况 2009年7月1日，我国正式实施了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，其明确指出：新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括电动汽车、气体燃料汽车、生物燃料汽车、氢燃料汽车等。 目前我国已建立起了电动汽车“三纵三横”(燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动车三种整车技术为“三纵”，多能源动力总成系统、驱动电动机、动力电池三种关键技术为“三横”)的研发布局。 截止到2015年底，全球纯电动汽车产量为52.3万辆，我国达到了产量33万辆、销量34万辆的成绩(图1)。2016年1-6月份，我国新能源汽车产量已经达到17.7万辆，全年产量预计将达到70万辆。 我国预计2020年初步建成以市场为导向、企业为主体、产学研用紧密结合的新能源汽车产业体系。自主新能源汽车年销量突破200万辆，累计产销量达到500万辆，市场份额达到70%以上；打造明星车型，进入全球销量排名前10，新能源客车实现规模化出口，整车平均故障间隔里程达到20 000km；动力电池、驱动电机等关键系统达到国际先进水平，在国内市场占有率达到80%。 至2025年，我国预计形成自主可控完整的产业链，与国际先进水平同步的新能源汽车年销量300万辆，自主新能源汽车市场份额达到80%以上；产品技术水平与国际同步，拥有2家在全球销量进入前10的一流整车企业，海外销售占总销量的10%；制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。 二、电动汽车的定义 纯电动汽车是完全由可充电电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)提供动力源，以电动机为驱动系统的汽车(图2)。其动力系统主要由动力电池、驱动电动机组成，从电网取电或更换蓄电池获得电能。 电动汽车最早的历史可以追溯到19世纪后期，在1881年8-11月巴黎举行的国际电器展览会上，展出了法国人古斯塔夫·特鲁夫研制的电动三轮车，这是世界上第一辆电动车辆，它采用多次性铅酸充电电池和直流电动机，可以实际操作使用，这辆车的诞生具有划时代的意义。 在接下来的1882年，英国的威廉·爱德华·阿顿和约翰·培里也合作研制了一辆电动三轮车，车的速度是4.4km/h。三位先驱 33.11 11.53 1.69 DOI:10.13825/https://www.doczj.com/doc/e213215125.html,ki.motorchina.2017.01.041
近年来，在我国作为技术的纯的研发与应用取得了突破性发展。这就客观要求行业提升维修 水平，升级故障维修手段，利用有效的电子诊断技术提升效率。本文以北汽纯的具体故障作 为切入点，通过故障分析及其排除过程，对关键技术进行相应的探究。 一、故障现象 一辆北汽生产的EV 160新能源纯，整车型号为：BJ7000B3D5－BEV，电机型号为： TZ20S02，电池型号为：29/135/220－80Ah，电池工作电压为320V。该车行驶里程为0.56万km，出现无法行驶且仪表报警灯常亮、报警音鸣叫的故障；故障发生时电机有沉闷的“咔、咔”声。 二、系统重要作用及其结构原理 驱动电机系统由驱动电动机（DM）、驱动电机控制器（MCU）构成，通过高低压线束与 整车其它系统作电气连接。驱动电机系统是纯三大核心部件之一，是车辆行驶的主要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。 1．驱动电机系统工作原理 在驱动电机系统中，驱动电机的输出动作主要是执行控制单元给出的命令，即控制器输出 命令。如图1所示，控制器主要是将输入的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供 给配套的三相交流永磁同步电机使用。 整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机控制器响应并反馈，实时调整驱 动电机输出，以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功能。电机控制 器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全 可靠运行。 电机控制器（MCU）由逆变器和控制器两部分组成。驱动电机控制器采用三相两电平电 压源型逆变器。逆变器负责将动力电池输送的直流电电能逆变成三相交流电给汽车驱动电机 提供电源；控制器接受驱动电机和其它部件的信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，它能控制频率的升降，从而达到加速或减速的目的。 电机控制器是依靠内置旋转变压器、温度传感器、电流传感器、电压传感器等来提供电 机的工作状态信息，并将驱动电机运行状态信息实时发送给VCU。驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块，以绝缘栅双极型晶体管模块（IGBT）为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路，对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态的信息通过 CAN2.0网络发送给整车控制器，同时也会储存故障码和数据。